Высокоскоростная параллельная регистрация электронных спектров с временным разрешением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

РГ6 Ой 1 8 ДЕК 2000 Романенко Виталий Александрович

Высокоскоростная параллельная регистрация электронных спектров

с временным разрешением

Специальность 01.04.01 - "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск-2000

Работа выполнена на кафедре физики поверхности Удмуртского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, Трапезников В.А.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

доцент, Романенко A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, Кузнецов П.Г. кандидат физико-математических наук, доцент, Савинский С.С.

Ведущая организация: Физико-технический институт УрО РАН

Защита состоится " 3-6" декабря 2000 г. в УУ часов на заседании диссертационного совета Д 064.47.02 при Удмуртском государственном университете по адресу: 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ

Автореферат разослан "13-^ -,-ноября 2000 г.

Штш

И.о. ученого секретаря^диссертацион^огоровета, доктор технических наук

Баянкин В.Я.

--------------ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Методы электронной спектроскопии широко используются при исследовании поверхности и приповерхностных слоев твердого тела. Наиболее распространенными из них являются метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и метод оже-злектронной спектроскопии. Метод фотоэлектронной спектроскопии позволяет получать уникальную информацию о свойствах поверхности, осуществлять исследования электронной структуры, производить качественный и количественный химический анализ в поверхностных слоях материала глубиной от нескольких десятков ангстрем до долей атомного слоя.

В нашей стране и за рубежом выпускаются электронные спектрометры с различными типами энергоанализаторов: электростатическими (ЭС-2401, ЭС-2402, ЭС-2403, ЭС-3201, "Кратос" XSAM 800 и Axis Ultra, PHI-5300, PHI-5800 и др.), реже - магнитными (электронные спектрометры ИФМ и ФТИ УрО РАН, университетов г. Уппсала и г. Токио и Чок-Риверской лаборатории в Канаде). В современных типах электронных спектрометров время регистрации спектров сокращается до секунд и миллисекунд, что исключительно важно при изучении быстропротекающих процессов. Фотоэлектронные спектрометры не позволяют производить регистрацию электронных спектров с высокой скоростью и временным разрешением выше 10"3 сек. Их традиционные системы регистрации и детекторы электронов не рассчитаны на регистрацию быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры исследуемых объектов. В то же время известен метод электронно-оптической спектрохронографии, используя который достигнуто временное разрешение ~10"5 сек. при регистрации оптических спектров гелиевой плазмы.

В связи с этим, является актуальным развитие методов регистрации электронных спектров с временным разрешением и высокими скоростями регистрации (на порядки превышающими традиционные). Создание высокоскоростной системы регистрации электронных спектров требует ее предварительного исследования, выявления основных закономерностей высокоскоростной регистрации, учета и анализа большого количества факторов. При этом актуальным становится моделирование, как инструмент для исследования сложных научных приборов и систем, оптимизации их характеристик и параметров.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является развитие метода высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров и разработка реализующей этот метод системы параллельной регистрации электронных спектров (СПР ЭС) с временным разрешением. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- применение метода электронно-оптической спектрохронографии для высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров с временным разрешением.

- разработка системы высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой (ФЭМС);

- разработка математической модели процессов движения электронов в аксиально-симметричных магнитных и локальных электрических полях и разработка пакета программ, имитирующих функционирование СПР ЭС с временным разрешением;

- проведение имитационного моделирования и анализ его результатов;

- создание экспериментальной установки-макета СПР ЭС, исследование ее электрофизических параметров, проведение экспериментов по скоростной регистрации электронно-оптических изображений и их обработки;

- анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований и разработка на его основе опытной установки-прототипа СПР ЭС с временным разрешением.

На защиту выносятся:

- опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой;

- имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением;

- результаты математического и имитационного моделирования СПР ЭС с временным разрешением;

- экспериментальная установка-макет СПР ЭС и результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фо-

кусировкой разработана опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временнь1м разрешением;

- впервые создана имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением в виде пакета прикладных программ;

- на основании имитационного моделирования и расчетов впервые получены результаты, описывающие основные закономерности функционирования СПР ЭС с временным разрешением;

- создана установка-макет СПР ЭС и проведены эксперименты по скоростной регистрации и обработка на ЭВМ электронно-оптических изображений, созданных нестационарными электронными пучками за милли- и микросекундные интервалы времени.

Практическая ценность

- развиваемый метод высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением может быть использован в действующих и разрабатываемых фотоэлектронных магнитных спектрометрах для регистрации быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры исследуемых объектов;

- имитационная модель и результаты экспериментальных исследований использовались для разработки опытной СПР ЭС с временным разрешением 100-см электронного магнитного спектрометра УдГУ, изготовления камеры параллельной регистрации и внутрикамерного оборудования.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1997), ECASIA-97 (Göteborg, Sweden, 1997), XVI научной школе-семинаре "Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь" (Ижевск, 1998), IV Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1999), семинаре "Настоящее и будущее Интернет-сетей Удмуртии" (Ижевск, 2000), объединенном семинаре УдГУ и ФТИ (Ижевск, 2000).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка использованной литературы, включающего 94 источника. Работа изложена на 165 страницах, содержит 5 таблиц и 46 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, обозначены цели и задачи данной работы, научная новизна и практическая ценность, раскрывается структура диссертационной работы.

В первой главе рассматривается метод фотоэлектронной спектроскопии и экспериментальная техника для его реализации. Описываются известные электронно-оптические преобразователи, служащие для высокоскоростной регистрации оптических изображений. Рассматривается метод электронно-оптической спектрохронографии и его техническая реализация. Рассматриваются характеристики и параметры микроканальных пластин (МКП) и детекторов электронов на их основе. Обсуждаются вопросы регистрации и обработки данных в электронной спектроскопии. Определяются цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе развивается метод высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров и представлена система параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением. Сущность этого метода состоит в следующем: поток электронов, возбужденных с поверхности образца, пространственно разделяется по энергии дисперсионным энергоанализатором, из него диафрагмой формируется ленточный поток электронов, который электростатически отклоняется во времени и фокусируется на приемную поверхность двухкоординатного детектора электронов на основе матрицы микроканальных усилителей и люминесцентного экрана. Двумерное нестационарное оптическое электронно-спектральное изображение преобразуется регистрирующим устройством в электрический сигнал для сохранения и дальнейшей обработки.

Для реализации этого метода необходима новая система регистрации. В разрабатываемой системе параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением (СПР ЭС) по сравнению с классической системой регистрации значительно изменяются устройство и принцип действия. При этом на порядки уменьшается время регистрации спектральных энергетических интервалов и, соответственно, возрастает скорость регистрации.

Устройство электронного магнитного спектрометра с СПР ЭС схематично показано на рис. 1. Работа спектрометра в классическом режиме и режиме высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров

Рис. 1. Электронный магнитный спектрометр с системой параллельной регистрации с временным разрешением (пунктирные линии показывают траектории анализируемых электронов; г=0 - горизонтальная плоскость симметрии энергоанализатора). ТК - торовая камера энергоанализатора; КО - камера образца; КР -камера регистрации; О - исследуемый образец; ИВИ - источник возбуждающего излучения; ИВВ - источники внешних воздействий; Дь Д2 - входная и выходная апертурные диафрагмы; ОЭ - отклоняющие электроды; МКП - сборка микроканальных пластин; ЛЭ-люминесцентный экран; ВК- ПЗС-видеокамера.

с временным разрешением предполагает использование для них одной и той же вакуумной системы, энергоанализатора, системы компенсации внешних магнитных полей. Отличаться они будут устройством камеры образца и камеры регистрации спектров, а также соответствующими электронными системами, осуществляющими как управление всеми подсисте-

мами спектрометра и различными воздействиями на исследуемый объект, так и регистрацию и обработку получаемой информации.

Центральным компонентом СПР ЭС является однородный двухкоор-динатный детектор электронов на основе матрицы микроканальных усилителей с люминесцентным экраном. Такой детектор эффективнее обычного канального электронного умножителя в десятки раз, так как собирает электроны, попадающие на большую площадь. Оптическое электронно-спектральное изображение (ЭСИ) с люминесцентного экрана преобразуется регистрирующим устройством-видеокамерой в электрический сигнал.

Регистрация временной эволюции спектрального интервала (динамики спектра) достигается за счет электростатического отклонения выходящего из дисперсионного энергоанализатора ленточного потока электронов (развертки во времени) и усиления-детектирования нестационарного отклоняющегося потока электронов двумерной матрицей двухкоординатного детектора. При этом количество микроканалов матрицы должно превышать миллионы, вылетая из которых электроны создают на люминесцентном экране нестационарное электронно-спектральное изображение. Одна из координат матрицы соответствует значению энергии регистрируемых электронов, а вторая связана с временным интервалом, в течение которого регистрируется спектральный энергетический интервал. Необходимым условием реализации СПР ЭС с временным разрешением является наличие фокальной плоскости у энергоанализатора спектрометра, где должна устанавливаться матрица микроканальных усилителей двухкоординатного детектора.

Принцип действия спектрометра с системой параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением состоит в следующем. Возбуждение электронов на поверхности исследуемого образца и выход их в вакуум осуществляется под воздействием импульсных источников рентгеновских или электронных пучков. Одновременно с названными, образец может подвергаться другим видам внешних воздействий: электрическим, тепловым и т.д., которые меняются во времени и определяют условия проведения эксперимента.

Часть электронов, вылетевших из образца, проходит через небольшую входную диафрагму в камеру энергоанализатора и пространственно разделяется по энергии благодаря дисперсионным свойствам магнитного поля с аксиальной компонентой индукции в плоскости г=0 вида

ч-!/2

Вг(р)=В

Ро

(1)

При этом энергия-регистрируемых "электронов"соответствует их радиальной координате р вдоль выходной диафрагмы. Изменения плотности потока электронов во времени по ширине выходной диафрагмы несут информацию о происходящих в образце и на его поверхности процессах. Сильно отклонившиеся от центральной стационарной орбиты электроны отсекаются выходной диафрагмой с горизонтально расположенным прямоугольным щелевым отверстием.

Для разделения в конечном изображении следов от импульсных электронных распределений, пришедших в разные моменты времени, производится сканирование прошедшим в камеру регистрации ленточным пучком электронов по поверхности сборки микроканальных пластин с помощью отклоняющих электродов. На них подается напряжение, изменяющееся по заданному закону, синхронно с оказываемыми на образец внешними воздействиями. Двумерное нестационарное распределение плотности потока электронов по радиальной координате р (связанной с энергией электронов) и вертикальной координате г (связанной со временем отклонения-регистрации) многократно усиливается микроканальными пластинами, переносится сильным электрическим полем на люминесцентный экран, который преобразует его в двумерное нестационарное оптическое электронно-спектральное изображение. Далее это изображение выводится через стеклянное окно из камеры регистрации и синхронно с разверткой снимается специализированной ПЗС-видеокамерой, сигнал с которой оцифровывается и вводится в ЭВМ с сохранением в файл.

СПР ЭС с времениым разрешением регистрирует серию электронно-спектральных изображений, синхронизированных с импульсами возбуждающего излучения с учетом времени пролета электронов в камерах спектрометра (от 0,1 до 2 мкс для 100-см ФЭМС), а затем осуществляется их обработка на ЭВМ. В состав обработки входят пересчет ЭСИ из цилиндрической системы координат в систему координат «энергия-время» (предобработка, в результате которой получается зависимость интенсивности зарегистрированного потока электронов от энергии и времени - спектрохронограмма), сшивание спектральных диапазонов различных энергий, сглаживание, вычитание фона, программная коррекция аппаратного энергетического и временного уширения линий спектрохронограмм (СХГ) и другие методики обработки.

Рассмотрим математическую модель, описывающую преобразование системы координат "энергия-время" в систему координат двухкоординатно-го детектора (р, г), осуществляемое СПР ЭС с временным разрешением.

Ко

Е Е

Т/2

11

Н

•дд

-Ндд'

а)

• ъ

А - •« • .....

Б Ро-^'Дд ро

!

_____ !

4-.....

Е=соа^1

В

t=con.st

р

->

Ро+'Мдд

с б)

Рис. 2. Преобразование системы координат "энергия-время" (а) в систему координат двухкоординатного детектора (б) при параллельной регистрации.

Будем считать, что координаты точки попадания электрона на двухкоорди-натный детектор (р, г) целиком зависят от кинетической энергии Е и времени вылета I электрона из образца, то есть имеют вид

р=Рр(Е)1), 2=Р2(Е, I). (2)

Получим ее в явном виде, исходя из следующих основных предположений: линейности преобразования, независимости координаты р от времени вылета электрона из источника I и симметричности отклонения по г относительно момента времени Т/2 (режим линейной развертки отклоняющими электродами). Преобразование (2) отображает область, соответствующую диапазону регистрируемых энергий от Ет,„ до Етах за время от 0 до Т (рис. 2а), в область АВСО на рис. 26, которая в общем случае в соответствии с предположениями является трапецией. При этом изоэнергетические линии параллельны оси г, а семейство изохронных линий является пучком прямых, сходящихся в некоторой точке на прямой

Перейдем к безразмерным переменным: относительным координатам ("Л, т) и энергии е - по формулам

Л = (Р-Р0)''Р0» т = 2/р0, е = (Е-Е0)/Е0, (3)

где р0- радиус круговой орбиты, являющейся равновесной для электронов с энергией пропускания Е0.

Тогда с учетом основных предположений преобразование (2) примет вид Сч = Ч(с) = <1|.; - с,

т = т(п,I) = т(л(с),I) = (Хо • п - )(I - Т/2), ( )

где с1ь - безразмерная дисперсия (с!1;=2 для магнитного энергоанализатора с полем (1)), а х» и сор - параметры преобразования:

'¡к

3 х ё

Параметр со,, является угловой скоростью развертки ленточного пучка электронов по экрану. Параметр хо - коэффициент скорости изменения наклона изохрон - характеризует быстроту изменения тангенса угла наклона изо-хроны 0 (см. рис. 26) со временем. Наиболее важным является случай, когда изохронные и изоэнергетические линии перпендикулярны (хе=0).

Параметры <вр и хв можно найти на основе известных координат (т|ь ту, (|) и (Пз. ъ; е2, 12) двух точек Е| и Е:, лежащих на одной изохроне (!,= ъ):

*о=т~;—Тз т/0Т' «р = ХО<^Ес1• (6)

с1Е(с2-£1)(11-т/2) 1,-1/2

Таким образом, зная параметры с1Е, шр и хо, можно проводить обратное к (2) преобразование из системы координат двухкоординатного детектора (р, г) в систему координат "энергия-время" (предобработку ЭСИ).

Рассмотрены основные параметры СПР ЭС: энергетическое и временное разрешения, связанные с пространственным разрешением двухкоординатного детектора, дисперсия, светосила, скорость развертки и скорость регистрации. Рассмотрены режимы работы по виду развертки (линейная, кусочно-линейная, дискретная ступенчатая) и способу регистрации (однокадровая, многокадровая) СПР ЭС с временным разрешением.

Представлена структура и рассмотрены функциональные подсистемы СПР ЭС, в состав которых входят подсистемы, не встречающиеся в классическом режиме регистрации, такие как подсистемы отклонения электронного потока, усиления-детектирования и регистрации ЭСИ, подсистема синхронизации, подсистема калибровки ЭСИ по энергии и времени, подсистема тестирования электронно-оптического преобразования.

В третьей главе описывается имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой, рассматриваются ее структура и функционирование, проводятся численные оценки и обосновывается корректность сделанных в имитационной модели

попущений, рассматриваются ее входные параметры и функция плотности распределения энергии электронов нестационарного источника.

В основе созданной модели лежит расчет траекторий движения электронов, вылетающих из нестационарного источника и калибровочных электронных пушек, и осесимметричном магнитном поле вида (1) и локальных электрических полях в камере регистрации. Траектория движения каждого электрона просчитывалась путем интегрирования уравнений движения электрона в этих полях. Гамильтониан электрона с массой ш и зарядом -е в осесимметричном магнитном поле вида (1) в цилиндрической системе координат имеет иид

<7)

откуда получаются уравнения движения электрона

Ф, 1 /

<31 тр * ♦

Р»

ер я ф

¿рг е , 5А,

=--(р +е,,А4).—А,

¿1 шр ф дг

ёр.

(1р

— = р„/ш; Л

^ = Рг/т; (8)

ад

<*Ф 1 , л ч

X = —г(Р*+еРА*>-

ад шр

Здесь р, х, ф, рр, р„ рф - координаты и импульсы электрона; А1р(р, г) - азимутальная составляющая векторного потенциала магнитного поля (1), которую можно приближенно вычислить как частичную сумму ряда

А,(р,г) = ^В0(р-р0)"г£Ск (9)

-5 к=0 Р

где константы (Л находятся рекуррентно из

0 к+1 (2к + 2)(2к+1) к В камере регистрации на электроны дополнительно действуют отклоняющее и ускоряющее электрические поля. Электрическое поле отклоняющих электродов учитывается введением в уравнения движения вертикальной отклоняющей силы на участке между отклоняющими электродами

Рг(Ф,р,0 = 2^от;л(0"е. (11)

¿г(ф.Р)

где 2иогк(1) - разность потенциалов и «^(ф, р) - расстояние между симметричными точками отклоняющих электродов с координатами ф и р. Уско-

ряющее (тянущее) электрическое поле в имитационной модели создается между двумя прозрачными для электронов плоскостями ф1=соп_ч1 и (р^сшШ (Ф,< <р2), с потенциалами 0 и +и;ск. соответственно и приводит к появлению азимутальной составляющей силы

Гф(Р)=

иуск-е

(12)

Ф " Р"(ф2 -Ф1)

После перехода к безразмерным переменным в уравнениях движения (8), начальных условиях, выражениях (9), (11), (12) получена численная схема ядра имитационной модели, позволяющая просчитать траекторию движения электрона в полях заданной конфигурации

= Р„

Р7. . = Р.. +

^--Аф(ад)

/р

я,2 ая ' '

дт,

Л

ЗА

дЪ

■Рф, + РФ(Я,)-ДТ,

II,+] +1у - дт,

/М=7, + Р, - ДТ,

(13)

'I',.! =Ф, +

я-.

к,

■ЛфО^г.)

•дт.

где ДТ - шаг интегрирования по безразмерному времени, \ - порядковый

номер шага, А,.,(К- безразмерный векторный

¿Ж дЪ

потенциал (9) и его частные производные, Рг(Ф;, Я-,) и РФ(К-,) - безразмерные силы (11) и (12). Начальные условия численной схемы имеют вид

Гр к =Л/2ЁТЁ7-со8Ч',-5тЧ'р, II,

Р,о =л/2Е/Е0-5ШЧ'/, Р., =Я0-[лф(Ки,20)-Л/2Ё7Ё7-со8Ч'г.со5Ч'р1 Ф 0 = О

о - 1 + Ар/р0, 0 = Лг/р0, (14)

о

где Др, Ь.ъ - координаты начального отклонения электрона от центральной круговой орбиты (р=р0, г=0, ф=0), являющейся равновесной для электронов с энергией Е0, а чу Ч'2 - начальные углы вылета из источника.

Имитационная модель СПР ЭС позволяет задавать начальные распределения электронов по энергии, времени, углам вылета из нестационарного источника и проводить комплексные вычислительные эксперименты.

В четвертой главе приводятся основные результаты, полученные в экспериментах с имитационной моделью, проводится их сравнение с другими численными и аналитическими расчетами, описывается методика проведения экспериментов с имитационной моделью и приводятся спектро-хронограммы, полученные в комплексных вычислительных экспериментах.

Методика работы с имитационной моделью рассматривается на примере точечного моноэнергетического конусообразного источника с непрерывной линейной разверткой пучка электронов отклоняющими электродами (рис. 3). Конусообразный источник в основном характеризуется энергией испускаемых электронов Е и начальными углами вылета электрона из источника % и связанными соотношением V2 + = 4'п12. Вычислительные эксперименты с конусообразным источником позволяют получать количественные зависимости одних параметров имитационной модели от других, проводить поиск оптимальных значений параметров в зависимости от заданных критериев поиска, сравнивать результаты моделирования с аналитическими расчетами. Рассматривается вопрос о выборе шага интегрирования по безразмерному времени, обеспечивающего требуемую точность вычислений при приемлемых вычислительных затратах.

На имитационной модели исследовано влияние различных факторов (максимального апертурного угла относительной энергии электрона Е/Ео, напряжений на отклоняющих электродах и0э и регистрирующем экране ига, представляющим в имитационной модели двухкоординатный детектор и регистрирующее устройство) на геометрическое положение и размеры кроссовера конусообразного моноэнергетического пучка электронов из точечного источника. Показано соответствие формы сечения конусообразного пучка электронов фокальной плоскостью ср = ял/2 « 255°, полученных на имитационной модели, с аналитическим расчетом формы сечения в приближении 3-го порядка. Установлено хорошее соответствие зависимости ширины и высоты сечения конусообразного пучка электронов фокальной плоскостью от радиального (Тр) и аксиального (ЧМ апертурных углов вылета (рис. 4) с аналитическими выражениями1 в параксиальной области углов вылета:

Д|<кр = (4/3)-Ч'р2.р0, дг.^^л/г/в)^5 -Ро. (15)

Обнаружено, что при углах Ч'р-80 положение плоскости кроссовера <ркр начинает отличаться от положения фокальной плоскости ср = тг^2 более чем на 0,1%.

1 Зигбаи К., Нордлинг К., и др. Электронная спектроскопия. М.: Мир, 1971. с.372-375.

г, мм

то

75 50 25 О -25 -50 -75 -100

Торопая камера лк'ргоаналичатора

ро=100()мм Ео= 1 ООО эВ а) Е =1020 эВ Т=Г

.............. Ц ,ч=28ПВ

Камера регистранин

р, мм

50 100 150 200 А'шмугальный угол «¡>,°

245 247 249 251 253 Лшмуга.п.ный лтол <р,°

Рис. 3. Траектории электронов из точечного конусообразного источника с энергией Е=1020 эВ и начальным углом вылета Ч,т=1° при пролете в торовой камере энергоанализатора и камере регистрации: а, б - вид сбоку; в, г - вид сверху. (ВыхД-выходная диафрагма; ОЭ-откл. электроды; РЭ-регистрирующий экран).

ЛКкр. мм 4.0

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0.0

-♦—Линейное приближение -«— Имитационная модель

: : ! : Я : .........1.........1.........1......Т1.........

, !

0.0 0.5

1.0 1.5 2.0 Тр. град

2.5

3.0

а)

0.0 0.5 1.0 1.5 го 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Тг, град б)

Рис. 4. Графики зависимости ширины ДККР (а) и высоты ДгКр (б) сечения конусообразного пучка электронов с энергией Е=1000 эВ фокальной плоскостью ср = л-/2 от радиального и аксиального апертурных углов вылета соответственно.

На имитационной модели установлено, что в пределах регистрирующего экрана с высотой 100 мм и шириной 100 мм (при радиусе центральной орбиты р0=ЮОО мм) зависимость пространственных смещений кроссовера ДрКр, Дгкр от отклоняющих факторов Е/Е0 и иоэ практически линейна. Экспериментально найдены безразмерная дисперсия по энергии с1Е и чувствительность по отклонению о (для данной конфигурации отклоняющих электродов):

dE= -»^- = 2,000 + 0,006; PodE

Az.

а = -

2U,

- = 0,166 ±0,002

оэ

мм

т

(16)

Для той же конфигурации отклоняющих электродов чувствительность по отклонению, найденная из известного выражения для электростатических отклоняющих систем, равна с = 0,163±0,005[мм/в}

В линейном приближении (%, Ч/г « 1) получена формула для нахождения времени пролета ТП(Е, %) электрона от источника до регистрирующего экрана в зависимости от его энергии Е и начальных углов вылета из источника % и в магнитном поле энергоанализатора вида (1):

4

Тп(Е,Ч'р) = Т0

Е

"0 У

1+—

к4г 9

(17)

где Т0=Тп(Е0, 0) - время пролета электрона с массой m и энергией Е0 по стационарной круговой орбите с радиусом р0 с нулевыми начальными углами вылета:

Т0=Тп(ЕО)0) = ярОЛ/^. (18)

Отсюда следует, что возникает временная задержка ДТ3 при пролете до регистрирующего экрана изохронного кольца электронов с энергией Е, испущенных одновременно конусообразным источником с максимальным апер-турным углом ^т, равная

ДТ3(Е,Тт) = Тп(Е,Тт)-Тп(Е,-Тт) = Т0

1/2

"О У

ял/2

•Ч*

(19)

Проведенная проверка формулы (19) с помощью имитационного моделирования показала их хорошее соответствие вплоть до Ч'тИ". При больших скоростях развертки временная задержка вносит заметный вклад во временное разрешение СПР ЭС.

Исследовалось влияние ускоряющего электрического поля между выходной диафрагмой и регистрирующим экраном на фокусирующие свойства магнитного поля и форму траекторий в камере регистрации. При этом на ре-

гистрирующий экран подавалось заданное напряжение 1!Г), находилось положение кроссовера моноэнергетического электронного пучка с начальным конусообразным распределением и определялись радиальное и азимутальное (продольное) смещения кроссовера по сравнению с его положением при 11рэ=0 (рис. 5а). Полученные зависимости смещений кроссовера от напряжения на регистрирующем экране показаны на рис. 56. Таким образом, продольное ускоряющее поле в камере регистрации вызывает дополнительные радиальное и азимутальное смещения кроссовера, что приводит к необходимости учета этого вклада при проектировании СПР ЭС и предобработке.

Проведены расчеты основных параметров СПР ЭС для 100-см электронного магнитного спектрометра УдГУ. Для входных апертурных углов Тр=0,3...0,5°, 4^=2,5...3,2° и двухкоординатного детектора с областью регистрации 100*100 мм2 и пространственным разрешением 1...5 линий/мм получено относительное энергетическое разрешение 5Е/Е0=(О,2.Л)1О"3, диапазон энергий одновременно регистрируемых электронов ДЕ=5...75эВ при Ец= 100... 1500 эВ. В режиме ступенчатой развертки временное разрешение составляет 51= 1... 10 мкс, что для 100 регистрируемых полос ЭСИ дает время развертки по экрану 0,1..Л мс и скорость регистрации (0,5...5)Л04 эл/мкс.

Комплексное имитационное моделирование, воспроизводящее основные этапы работы СПР ЭС в режиме ступенчатой развертки отклоняющими электродами показано на рис. 6. На нем показаны исходная функция плотности распределения электронов по энергии и времени (а, б) и полученные результаты (в, г, д) при моделировании работы СПР ЭС с временным разрешением. Исходное модельное распределение электронов по энергии и времени, возбужденных с поверхности образца импульсным источником, показано на рис. 66. Оно представляет собой три пары спектральных линий с постоянными положениями и переменными интенсивностями пиков без дополнительного фона. Сечения рис. 66 через одинаковые интервалы времени в моменты времени Т0-Т8 приведены на рис. 6а, на котором временная эволюция спектральных линий представлена в более удобном для восприятия виде. Все линии имеют одинаковую полуширину на половине высоты равную 0,5 эВ и фиксированные положения пиков: 996, 998; 1000, 1002; 1006 и 1008 эВ.

При моделировании импульсного режима работы СПР ЭС развертка ленточного пучка электронов отклоняющими электродами осуществлялась синхронно с импульсами возбуждающего излучения. В результате имитационного моделирования после просчета ста тысяч траекторий электронов

РС. мм

Е0=1000 >В

1>о= 1000 мм

0 50 100 150 '

• АС. мм

оэ РЭ

—......-•- « ........

и=о

и=иРЭ я)

Рис. 5. Вид сверху на отклоняющийся в камере регистрации пучок электронов (^ш=1,43°) под действием магнитного поля вида 1/^/р и продольного ускоряющего электрического поля с иРЭ=10 кВ (а) и график зависимости радиального (РС) и азимутального (АС) смещений кроссовера от ускоряющего напряжения на регистрирующем экрано иРЭ(б).

получено электронно-спектральное изображение, состоящее из 50 горизонтальных "изохронных" полос, которое после преобразования к координатам "энергия-время" представлено на рис. 6в. Интенсивность каждой точки полученного ЭСИ определяется количеством электронов, попавших в соответствующий ей элемент регистрирующего экрана. Нетрудно заметить, что конечное ЭСИ (рис. 6в) в целом соответствует исходному распределению электронов (рис. 65).

Зарегистрированные "модельные" спектры в моменты времени Т4 иТ6, полученные в результате обработки (сглаживания) сечений конечного элек-тронно-спектралыюго изображения при Т=Т4 и Т=Тб, представлены на рис. 6г, 6д. Сравнение их с сечениями исходного распределения электронов, вылетающих из образца в моменты времени Т4 и Т6 (рис. 6а), позволяет сделать вывод о хорошем соответствии формы этих спектров.

В пятой глаце представлены установки-прототипы СПР ЭС и результаты экспериментальных исследований. Для создания системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением, исследования и целенаправленного отбора технических решений построения новой системы регистрации, разработаны две экспериментальные установки.

992 996 1000 1004 1008 996 1000 1004 1008

Энергия электронов, эВ Энергия электронов, эВ

Рис. 6. Комплексное имитационное моделирование СПР ЭС с временным разрешением в импульсном режиме: а, б - исходное распределение электронов образца по энергии и времени; в -конечное ЭСИ и два его сглаженных сечения (г, д).

Первая из Э1их установок стала макетом для проверки и отбора вариантов построения вакуумной, электроннолучевой, высоковольтной, электрической, измерительной и регистрирующей подсистем. Вторая установка разрабатывалась на основе опыта создания первой установки-макета СПР ЭС, результатов экспериментальных исследований на ней, аналитических расчетов и результатов имитационного моделирования системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

Представлены общие виды экспериментальных установок, рассмотрены их устройство и принцип действия. В каждой из них установлены двухкоординатный детектор электронов на основе микроканальных пластин с люминесцентным экраном, электронные пушки с электростатическим отклонением и фокусировкой электронных пучков, используется высоковольтное, электроизмерительное, электроннолучевое и высоковакуумное оборудование, а также ПЗС-видеокамера и персональная ЭВМ.

Блок схема первой экспериментальной установки-макета СПР ЭС показана на рис. 7. Центральной частью установки является цилиндрическая вакуумная камера (9), с помещенной внутрь электроннолучевой трубкой (10) и узлом двухкоординатного детектора электронов с МКП и люминесцентным экраном. Камера имеет несколько фланцев. Нижний фланец служит для откачки высоковакуумной камеры магниторазрядным насосом НМД-0,25 (11), который подключен к блоку питания БП-140 (19). Вакуумметры ВИТ-3 (18) и ВМБ-8 (16) подключены соответствующим манометрическим датчикам. На верхний фланец закреплена крышка с окном (20), а над ним установлена ПЗС-видеокамера (7).

В установку входит несколько блоков питания и измерительная аппаратура. Для питания и управления двухкоординатным детектором электронов и ЭЛТ используются высоковольтные блоки (1) и (6) и доработанная электронная часть осциллографа С1-69 (5). Для измерения электрических параметров электронных пучков и МКП применяются электрометрический усилитель тока У5-9 (4) с коэффициентом передачи до 1013 В/А, цифровые универсальные измерительные приборы В7-22, (2, 3), а также измерительный блок (1), который состоит из нескольких микроамперметров и цифровых мультиметров, высоковольтных узлов коммутации и регулировки напряжений детектора электронов и измерения токов МКП. Измерение тока входного и усиленного МКП электронных пучков осуществляется с помощью двух цилиндров Фарадея.

■ Рис. 7: Блок-схема оксперименталь-" ной установки-макета СПР ЭС. 1-измерительный блок; 2,3-цифро-вые вольтметры, 4-электрометри-ческий усилитель; 5-осциллограф; 6-высоковольтный источник; 7-ПЗС-видеокамера; 8, ^-компенсационные катушки; 9-вакуумная камера; 10-ЭЛТ с детектором электронов; 11-магниторазрядный насос; 13,14, 15,19-блоки питания; 16,18-вакуумметры; 17-форвакуумная система; 20-смотровое окно; 21-источ-ник бесперебойного питания.

На установке-макете СПР ЭС были проведены эксперименты по регистрации электронно-оптических изображений в милли- и микросекундных интервалах их развертки во времени (рис. 8), создавались стационарные, однократно и периодически повторяющиеся электронные пучки различной интенсивности, измерены электрофизические параметры опытных образцов микроканальных пластин и исследованы режимы работы двухкоорди-натных детекторов электронов на их основе. Изображения, получаемые на люминесцентном экране МКП и за ее пределами, регистрировались с помощью ПЗС-видеокамеры в режиме максимальной чувствительности при фиксированном времени экспозиции, а по показаниям таймера каждый кадр отснятого видеоматериала по времени содержал информацию для определения режима работы детектора электронов и МКП. Записанный на видеокассету материал с ПЗС-видеокамеры вводился в ПЭВМ !ВМ PC с помощью видеоплаты с 8-разрядным аналого-цифровым преобразователем для последующей цифровой обработки кадров изображения на ПЭВМ.

Эти экспериментальные результаты наряду с результатами имитационного моделирования были использованы при разработке и создании камеры, внутрикамерного оборудования и электронных узлов второй установки - опытного варианта СПР ЭС, конструкция которой предусматривает возможность работы оборудования как в автономном режиме, так и совместно с вакуумной системой, энергоанализатором и системой компенсации внешних магнитных полей в составе 100-сантиметрового электронного магнитного спектрометра УдГУ.

Рис. 8. Распределение яркости изображения на люминесцентном экране двухкоординатного детектора электронов при периодической развертке со скоростью 0,1 мм/мкс и разных токах первичного электронного пучка (0,1 нА; 2 нА; 6 нА; 25 нА и 50 нА).

Ниже приведен график распределения интенсивности свечения в сечении А-А.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Развит метод электронно-оптической спектрохронографии для высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров с временным разрешением.

2. Впервые для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой разработана опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

3. Впервые создана имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением в виде пакета прикладных программ, моделирующая процессы движения электронов в аксиально-симметричных магнитных и локальных электрических полях в СПР ЭС с временным разрешением.

4. Проведено имитационное моделирование СПР ЭС с временным разрешением и впер^вые получены результаты, описывающие основные закономерности функционирования СПР ЭС с временным разрешением.

5. В линейном приближении получены выражения, описывающие преобразование координат "энергия-время" в систему координат двухкоординатного детектора, обратное к нему преобразование, и проведены численные оценки основных параметров СПР ЭС с временным разрешением.

6. Создана экспериментальная установка-макет СПР ЭС. Проведены эксперименты по скоростной регистрации и обработка нестационарных электронно-оптических изображений, созданных электронными пучками за милли- и микросекундные интервалы времени.

Разработана опытная установка-прототип СПР ЭС с временном разрешением. Изготовлена камера параллельной регистрации и ее внутри-камерное оборудование.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

'. Романенко В.А., Романенко A.B.; Трапезников В.А. Моделирование системы параллельной регистрации и обработки электронных спектров фотоэлектронного магнитного спектрометра // Тезисы докладов III Российской университетско-академической научно-практической конференции. - Ижевск,. 1997. - ч.б. - с.79.

!. Kanunnikova О.М., Gilmutdinov F.Z., Romanenko V.A., Kozhevnikov V.l., Sorokina M.F. Photoelectron study of the surface layer of lead-silicate glasses in the heat and thermal hydrogen treatment // Abstracts of ECASIA-97. - Göteborg, 1997. - p. 479.

i. Романенко B.A., Романенко A.B., Трапезников В.А. Разработка и создание экспериментальной системы параллельной регистрации электронных спектров II Тезисы докладов IV Российской университетско-академической научно-практической конференции. - Ижевск, 1999. -4.7. -с.117-118.

Романенко В.А., Романенко A.B., Трапезников В.А. Параллельная регистрация электронных спектров 100-сантиметрового фотоэлектронного магнитного спектрометра // Вестник Удмуртского университета. - 2000. - № 4. - с.47-55.

I. Романенко В.А., Романенко A.B. Разработка экспериментальной системы параллельной регистрации электронных спектров // Вестник Удмуртского университета. - 2000. - № 4. - с.56-66.

¡. Романенко В.А., Романенко A.B., Трапезников В.А. Система параллельной регистрации электронных спектров для импульсной электронной спектроскопии //Химическая физика и мезоскопия. - 2000. -т.2. - №1. -с.111-122.

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Регистрация электронных спектров и потоков электронов.

1.1. Электронная спектроскопия и электронные спектрометры.

1.2. Электронно-оптические преобразователи и метод электронно-оптической спектрохронографии.

1.3. Характеристики и параметры микроканальных пластин и детекторов электронов на их основе.

1.4. Особенности регистрации и обработки экспериментальных данных в электронной спектроскопии.

1.5. Постановка целей и задач исследования.

Глава 2. Высокоскоростная параллельная регистрация электронных спектров с временным разрешением.

2.1. Высокоскоростная параллельная регистрация электронных спектров и система параллельной регистрации электронных спектров (СПР ЭС) с временным разрешением.

2.2. Режимы высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров.

2.3. Математическая модель и основные параметры СПР ЭС с временным разрешением.

2.4. Обобщенная структура СПР ЭС с временным разрешением.

Выводы.

Глава 3. Имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

3.1. Структура имитационной модели.

3.2. Функционирование имитационной модели.

3.3. Ограничения и допущения имитационной модели.

3.4. Уравнения движения электронов в имитационной модели.

Оглавление

3.5. Численная схема ядра и входные параметры имитационной модели.

Выводы.

Глава 4. Результаты моделирования и их анализ.

4.1. Методика вычислительного эксперимента с имитационной моделью.

4.2. Влияние параметров СПР ЭС на фокусирующие свойства магнитного поля энергоанализатора.

4.3. Расчет параметров СПР ЭС с временным разрешением для 100-см фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой.

4.4. Имитационное моделирование основных режимов работы СПР ЭС. .115 Выводы.

Глава 5. Установки-прототипы СПР ЭС и эксперименты на них.

5.1. Цели, задачи и техника экспериментов на установках-прототипах СПР ЭС.

5.2. Устройство и принцип действия экспериментальной установки-макета СПРЭС.

5.3. Эксперименты на установке-макете СПР ЭС и их результаты.

5.4. Опытная установка-прототип СПР ЭС с временным разрешением. 145 Выводы.

Методы электронной спектроскопии широко используются при исследовании поверхности и приповерхностных слоев твердого тела. Наиболее распространенными из них являются метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), где в качестве возбуждающего излучения используются фотоны характеристического рентгеновского излучения, и метод оже-электронной спектроскопии (ОЭС), где в качестве возбуждающего излучения используются электроны. Метод фотоэлектронной спектроскопии [1] позволяет получать уникальную информацию о свойствах поверхности, осуществлять исследования электронной структуры, производить качественный и количественный анализ в поверхностных слоях материала глубиной от десятков ангстрем до долей атомного слоя.

В нашей стране и за рубежом выпускаются электронные спектрометры с различными типами энергоанализаторов, реализующие комплекс методов анализа поверхности [2, 3]. В электронных спектрометрах наиболее широко применяются электростатические энергоанализаторы (ЭС-2401, ЭС-2402, ЭС-2403, ЭС-3201, "Кратос" XSAM 800 и Axis Ultra, PHI-5300, PHI-5800 и др.), реже -магнитные (электронные спектрометры Института физики металлов УрО РАН и Физико-технического института УрО РАН, университетов г. Уппсала (Швеция), г. Токио и Чок-Риверской лаборатории в Канаде). В современных типах спектрометров время регистрации спектров сокращается до секунд и миллисекунд, что исключительно важно при изучении быстропротекающих процессов.

Еще создателями рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии была замечена возможность многоканальной регистрации спектров, то есть регистрации электронов одновременно для нескольких соседних значений энергии в заданном диапазоне [4]. Ими же была осуществлена многоканальная регистрация в 30-см электронном магнитном спектрометре, на котором с помощью линейки вторично-электронных умножителей получены спектры золота.

Многоканальная регистрация спектров электронными спектрометрами с магнитным энергоанализатором с двойной фокусировкой или с электростатическим полусферическим концентрическим энергоанализатором возможна в силу наличия у них фокальной плоскости [5]. В этой плоскости можно разместить рядом друг с другом несколько твердотельных детекторов электронов. Детекторами в некоторых многоканальных спектрометрах служат электронные умножители в виде микроканальных пластин. Преимуществом использования многоканального спектрометра является то, что требуется меньше времени на получение спектра в данном диапазоне энергий, чем с одиночным детектором. Недостатком является более высокая сложность и стоимость как системы регистрации, так и прибора в целом. Многоканальная регистрация спектров предложена для 100-сантиметрового электронного магнитного спектрометра Удмуртского университета [6].

Однако при достаточно большом количестве каналов имеются значительные трудности по созданию практически безотказной системы регистрации с большим числом одинаковых по коэффициенту усиления быстродействующих детекторов и предусилителей сигнала каждого отдельного канала. Использование многоканального координатного детектора электронов на основе системы микроканальных пластин с несколькими анодами [6] не снимает ограничений, связанных с низкой скоростью счета каждого из каналов и не меняет качественно режимов и времени регистрации электронных спектров. Таким образом, фотоэлектронные спектрометры не позволяют производить регистрацию электронных спектров с высокой скоростью и временным разрешением выше 10" сек. Их традиционные системы регистрации и детекторы электронов не рассчитаны на регистрацию быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры исследуемых объектов.

Похожие проблемы имеют место и в оптической спектроскопии. Один из путей их решения реализован в фурье-спектроскопии, в которой для достижения заданного временного разрешения все участки спектра одновременно регистрируются в течение соответствующего промежутка времени. Обычными методами оптической спектроскопии каждый участок регистрируется последовательно, в то время как в фурье-спектроскопии регистрируется одновременно весь спектр, а затем уже весь и обрабатывается [7, с.135].

Между тем в самых основах механики и оптики заложены основы гораздо более универсального и технически более простого способа быстрой многоканальной передачи информации, а именно, параллельной передачи электромагнитных или корпускулярных изображений. Так с использованием электронно-оптических преобразователей осуществлена высокоскоростная регистрация оптических изображений в микросекундном и в субнаносекундном диапазоне экспозиций. Применение электронно-оптических преобразователей для регистрации оптических спектров с высоким временным разрешением привело к созданию метода электронно-оптической спектрохронографии. В работах За-войского Е.К. и Смолкина Г.Е. [8] достигнуто временное разрешение выше 10"5 сек в электронно-оптической спектрохронографии гелиевой плазмы.

Таким образом, временное разрешение при регистрации оптических спектров этим методом на порядки превосходит наилучшее на сегодня временное разрешение при регистрации электронных спектров. В связи с этим является актуальным развитие метода электронно-оптической спектрохронографии для регистрации фотоэлектронных спектров с высоким временным разрешением и высокими скоростями регистрации (на порядки превышающими традиционные). Для этого необходима разработка высокоскоростных систем регистрации электронных спектров.

Регистрация спектров со скоростями, более высокими, чем в обычной спектроскопии само по себе ценно, поскольку спектрометры являются дорогими инструментами, и чем больше результатов будет получено с их помощью за данный промежуток времени, тем быстрее окупится их стоимость (более эффективным будет их использование). Имеются и другие преимущества быстрой записи спектров, например возможность исследования короткоживущих частиц, таких как нестабильные молекулы и промежуточные продукты химических реакций. Снижение времени, необходимого для получения спектра, с минут до секунд и даже до долей секунды, значительно расширяет круг объектов исследования" [7].

Процессы на поверхности происходят в основном быстро, и подавляющее большинство опубликованных исследований позволяют видеть лишь итог этих процессов, не регистрируя, как правило, их промежуточных стадий. Воздействие на поверхность сильноточными электронными и ионными пучками, лазерным излучением, . требует разработки импульсных методов исследования поверхности и разработки соответствующих научных приборов, импульсной электронной спектроскопии и других поверхностных методов, позволяющих за доли секунды, вплоть до наносекунд, регистрировать изменения электронной и атомной структуры поверхности" [9, с.9, предисл. ред. перевода].

Можно привести следующие примеры быстропротекающих процессов на уровне электронной структуры поверхности конденсированных систем:

- Процессы, происходящие при фазовых переходах, на уровне электронной структуры поверхности конденсированных систем.

- Динамика процессов перестройки электронной структуры поверхности при импульсном воздействии лазерными, электронными пучками и др.

- В химических реакциях, при облучении стабильных молекул ультрафиолетовым излучением или при радиационном воздействии на них могут образовываться свободные радикалы или ион-радикалы - нестабильные частицы с нео (1 спаренными электронами, имеющее время жизни 10" -40" сек и менее [7].

Целью данной работы является развитие метода высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров и разработка реализующей этот метод системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением. В работе применяется имитационное моделирование, как инструмент для исследования и разработки сложных научных приборов и систем, оптимизации их характеристик и параметров. Проводится экспериментальная регистрация и обработка электронно-оптических изображений, созданных нестационарными электронными пучками за милли- и микросекундные интервалы времени.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, включающего 94 источника, списка использованных сокращений и трех приложений. Работа изложена на 165 страницах, содержит 5 таблиц и 46 рисунков.

5.5. Выводы к главе 5.

1. Разработана, изготовлена и отлажена экспериментальная установка-макет системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

2. Проведена серия экспериментов на экспериментальной установке-макете СПР ЭС и отработана методика измерения электрофизических параметров двухкоординатного детектора на основе МКП.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния тока электронного пучка и напряжения на МКП на ее усилительные свойства.

4. Экспериментально исследован двухкоординатный детектор электронов на основе МКП и люминесцентного экрана и показана возможность значительного усиления слаботочных электронных пучков.

5. Проведена экспериментальная регистрация слабых непрерывных и импульсных потоков электронов на основе двухкоординатного детектора электронов и ПЗС-видеокамеры и обработка на ЭВМ электронно-оптических изображений.

6. Показана возможность скоростной регистрации нестационарных электронных потоков электронов за милли- и микросекундные интервалы времени в различных режимах работы экспериментальной установки-макета СПР ЭС.

7. На основании анализа результатов экспериментальных исследований и моделирования разработана опытная установка-прототип СПР ЭС с временным разрешением и изготовлены камера параллельной регистрации и внутрикамерное оборудование.

Заключение и общие выводы

154

Таким образом, в данной диссертационной работе:

1. Развит метод электронно-оптической спектрохронографии для высокоскоростной параллельной регистрации фотоэлектронных спектров с временным разрешением.

2. Впервые для фотоэлектронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой разработана опытная система высокоскоростной параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

3. Впервые создана имитационная модель системы параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением в виде пакета прикладных программ, моделирующая процессы движения электронов в аксиально-симметричных магнитных и локальных электрических полях в СПР ЭС.

4. Проведено имитационное моделирование СПР ЭС с временным разрешением и впервые получены результаты, описывающие основные закономерности функционирования СПР ЭС.

5. В линейном приближении получены выражения, описывающие преобразование координат "энергия-время" в систему координат двухкоординатного детектора, обратное к нему преобразование, и проведены численные оценки основных параметров СПР ЭС с временным разрешением.

6. Создана экспериментальная установка-макет СПР ЭС. Проведены эксперименты по скоростной регистрации и обработка нестационарных электронно-оптических изображений, созданных электронными пучками за милли- и микросекундные интервалы времени.

7. Разработана опытная установка-прототип СПР ЭС с временным разрешением. Изготовлена камера параллельной регистрации и ее внутрикамерное оборудование.

1. Зигбан К. Электронная спектроскопия атомов, молекул и конденсированного вещества / Нобелевские лекции по физике 1981 года // УФН. 1982. - т.138. -вып. 2. - с.223-249

2. Гомоюнова М.В. Электронная спектроскопия поверхности твердого тела // УФН. 1982.-т.136.-вып. 1. -с.105-148

3. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии: Пер. с англ./ Под ред. Д.Бриггса, М.П.Сиха. М.: Мир, 1987 - 600 с.

4. K. Siegbahn, D. Hammond, H. Fellner-Felldegg, and E.F. Barnett // Science, 176 (1972)245.

5. Трапезников B.A., Шабанова И.Н., Журавлев B.A. Разработка 100-сантиметрового электронного магнитного спектрометра с двойной фокусировкой. // Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1993. № 5(1). - c.l 11-122

6. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. М.: Мир, 1985. с.43, 135.

7. Загородников С.П., Смолкин Т.Е., Шолин Г.В. // ЖЭТФ, 1963. т.45. - с.1850.

8. Праттон М. Введение в физику поверхности. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2000. - 256 с.

9. Пролейко В.М. Перспективы развития аналитического приборостроения // Электр, промышленность, 1982. №10-11,- с.3-7.

10. Карлсон Т.А. Фотоэлектронная и оже-спектроскопия. Л.: Машиностроение. 1981.

11. Рац Ю.В., Трапезников В.А., Широков В.А. и др. Оже-микрозонд: разработка и сравнительные характеристики // Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1993. -№ 5(1). с. 149-150

12. Трапезников В.А., Шабанова И.Н. Рентгеноэлектронная спектроскопия сверхтонких поверхностных слоев конденсированных систем. М.: Наука, 1988. с.7

13. Канунникова О.М, Гильмутдинов Ф.З., Кожевников В.И., Трапезников В.А. Методы фотоэлектронных исследований неорганических материалов. Ижевск: Изд-во Удм. университета, 1995. 392 с.

14. М.Р. Seah A system for the intensity calibration of electron spectrometers // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 71 (1995) 191-204.

15. Фридрихов С.А. Энергоанализаторы и монохроматоры для электронной спектроскопии. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. 158 с.

16. C.R. Brundle, M.W. Roberts An ultrahigh vacuum electron spectrometer for surface studies // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 3 (1974) 241-261.

17. Морозов Е.Л., Савинский C.C., Шабанова И.Н. Энергоанализатор магнитного электронного спектрометра// Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1993. -№ 5(1). —с.132-141.

18. Морозов Е.А. Расчет энергоанализаторов малогабаритных электронных магнитных спектрометров. Дисс. . к-тафиз.-мат. наук //Ижевск, 1996.

19. Соснов В.А., Хазова Р.А., Широбоков С.В., Шабанова И.Н., Савинский С.С., Морозов В.А., Трапезников В.А. Переносной технологический рентгеноэлек-тронный магнитный спектрометр // ПТЭ, 1997. №3. - с.130-132.

20. О. Nilsson, L. Hasselgren, К. Siegbahn et al. Development of parallel plate channel multipliers for use in electron spectroscopy// Nucl. Instr. and Meth, 84 (1970)301-306.

21. K. Siegbahn, C. Nordling, S.-F. Karlsson, S. Hagstrom, A. Fahlman and I. An-dersson // Nucl. Instr. and Meth, 27 (1964) 173.

22. R.C.G. Leckey Recent developments in electron energy analysers // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 43 (1987)p.l83-214.

23. Машинский Ю.П., Полонский Б.А., и др. Многоканальный растровый оже-спектрометр // Электр, промышленность, 1982. №10-11,- с.20-23.

24. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях. М.: Наука, 1978. 432 с.

25. J.S. Courtney-Pratt, Research, 2 (1949) 287.

26. Брагин Б.Н., Бутслов М.М., Малышева B.C., Саттаров Д.К., Степанов Б.М. // ПТЭ, 1975.-№4.-с. 158.

27. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988

28. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процес-ссов. М.: Наука, 1975. гл. 15.

29. Ефимов В.М., Искольдский А.М, Нестерихин Ю.Е. Электронно-оптическая фотосъемка в физическом эксперименте. Новосибирск: Наука, 1978. гл. 5.

30. Ахматов А.П., Блинов П.И., Болотин В.Ф., и др. // ЖЭТФ, 1960. т.39. - с.536.

31. Болотин В.Ф., Завойский Е.К., Оганов М.Н., Смолкин Г.Е., Стриганов А.Р. // Изв. АН СССР, сер. физ., 1963. т.27. - №7. - 872.

32. Блинов П.И., Загородников С.П., Смолкин Г.Е., Шолин Г.В.// ЖЭТФ, 1965. -Т.48.-С.61.

33. Айнбунд М.Р., Поленов Б.В. Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение. М.: Энергоиздат, 1981. - 140 с.

34. Нефедов В.И., Черепин В.Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983. 296 с.

35. Рекламный проспект прибора Axis Ultra фирмы Kratos Analytical.

36. M.Keenlyside, P.Pianetta A performance and applications study of the photoelec-tron spectromicroscope // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 66 (1993) 189-207.

37. R.C. White, C.S. Fadley, and R. Trehan The use of channel arrays for high accuracy angle definition in electron spectroscopy: experiment and theory// J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 41 (1986) 95-124.

38. Акимов Ю.К. Позиционно-чувствительные сцинтилляционные детекторы ядерных излучений (обзор) // ПТЭ, 1994. №6. - с. 6-57.

39. Шютте Н.М. Некоторые особенности работы МК-усилителей шевронного типа//ПТЭ, 1987.-№1.-с.175.

40. Шютте Н.М. О возможности использования МКП при повышенных скоростях счета // ПТЭ, 1995. №4. - с. 102-111.

41. Шихалиев П.М. Измерение загрузочной способности детектора на основе МКП // ПТЭ, 1997. №2. - с. 81-84.

42. Медведев М.Н. Детекторы нейтральных частиц (обзор) // ПТЭ, 1994. №1. - с. 7-30.

43. Башкеев А.А. Характеристики МКП с прямыми каналами в режиме насыщения//ПТЭ, 1989. №4. - с.77-81.

44. Грибов И.В. Детектор частиц из трех МКП // ПТЭ, 1985. №3. - с.59-61.

45. Емельянов А.А. Электропрочность ускоряющих промежутков МКП-экран усилителя яркости// ПТЭ, 1996. №2. - с. 109-111.

46. Емельянов А.А. Электропрочность МКП в наносекундном диапазоне длительностей // ПТЭ, 1996. №6. - с.62-64.

47. Гущин Е.М. Микроканальный трековый детектор// ПТЭ, 1996. №4. - с.15-21.

48. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / Под ред. JI. Фирмэнса и др. М.: Мир, 1981.-c.429.

49. Архипов Н.И., Васенин С.Г., и др. Многокадровая м.к.п.-камера для м.р и в.у.ф.-спектроскопии мишенной плазмы // ПТЭ, 1988. - №1. - с.128-131.

50. Шихалиев П.М. Многослойный детектор для регистрации у-излучения на основе МКП // ПТЭ, 1995. №5. - с.97-101.

51. Бардин Б.В., Белов В.Д., и др. Автоматизированная система управления и регистрации многофункционального электронного спектрометра и прикладное программное обеспечение для обработки сложных электронных спектров // ПТЭ, 1999. №2. - с.68-74.

52. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.-288с.

53. A.F. Carley and R.W. Joiner J.Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 16 (1979) 1-23

54. V.I.Povstugar, A.A.Shakov, S.S.Mikchailova, E.Y.Voronina and E.P.Yelsukov, "The application of FDFT to deconvolution of XPS data. Model investigations.", Phys-Tech. Institute, Izhevsk

55. Kanunnikova O.M., Gilmutdinov F.Z., Romanenko Y.A., Kozhevnikov V.I., So-rokina M.F. Photoelectron study of the surface layer of lead-silicate glasses in the heat and thermal hydrogen treatment// Abstracts of ECASIA-97. Goteborg, 1997. - p.479.

56. Канунникова O.M., Гильмутдинов Ф.З., и др. Термостимулированная сегрегация элементов в поверхностном слое свинцово-силикатных стекол // Физика и химия обработки материалов, 1996. №4. - с. 70-73.

57. Тютиков A.M., Тоисеева М.Н. и др. Влияние окислов металлов на свойства эмиттируемого слоя свинцово-силикатных стекол // Физика и химия стекла, 1981. т.7. - №6. - с.705-712.

58. Горшков А.В. Улучшение разрешения изображений при обработке данных физического эксперимента и нахождение неизвестной аппаратной функции по программам пакета REIMAGE // ПТЭ, 1995. №2. - с.68-78.

59. Коротких В.А., Косарев E.JI., и др. Улучшение энергетического разрешения фотоэлектронных спектров программной коррекцией на аппаратную функцию // ПТЭ, 1994. №1. - с.88-95

60. Каминский А.С., Косарев Е.Л., Лавров Э.В. Использование гребенчатых аппаратных функций в спектроскопии высокого разрешения // ПТЭ, 1997. -№3. -с.57-63.

61. M.F. Koenig and J.T. Grant Monochromator versus deconvolution for XPS studies using a Kratos ES300 system // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 36 (1985) 213-225.

62. Трапезников В.А. Электронная спектроскопия малых доз излучения // УФН, 1998. т.168. - № 7. - с. 793-799.

63. Трапезников В.А. Оценка массы покоя электронного антинейтрино по бета-распаду трития методом электронной спектроскопии // Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1995. -№7. -с.136-148

64. Романенко В.А., Романенко А.В., Трапезников В.А. Параллельная регистрация электронных спектров 100-сантиметрового фотоэлектронного магнитного спектрометра// Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 2000. № 4. - с.47-55.

65. Трапезников В.А., Широбоков С.В., Ковнер Л.Г. Импульсный рентгеновский источник для исследования расплавов методом рентгеноэлектронной спектроскопии //Журнал структурной химии, 1998. -т.39. -№6. с. 1160-1162.

66. Хазова Р.А., Морозов Е.А., Соснов В.А. Конструкция магнитометра для Е-спектрометра // Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1995.-№7-с.115-119.

67. Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. М.: Финансы и статистика, 1991. с. 204.

68. Жигарев А.А. Электронная оптика и электроннолучевые приборы. М.: Высшая школа, 1972. 540 с.

69. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1973. с.68

70. Зигбан К. Альфа-, бета-, гамма-спектроскопия. М.: Атомиздат, 1969. -вып.1. с.116-133.

71. Siegbahn К., Svartholm N.-Nature, 1946, v. 157, p. 872.

72. Романенко В. Замечание по поводу одной небесномеханической задачи // Регулярная и хаотическая динамика. 1996. - т. 1. - №2 - с. 111-112.

73. Себехей В. Теория орбит: ограниченная задача трех тел. М.: Наука, 1982.

74. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки.-Л.: Энергия, 1972.-c.ll.

75. Хазова Р.А. Расчет параметров магнитного поля энергоанализатора и систем компенсации электронного магнитного спектрометра высокой светосилы. Дисс. . к-та физ.-мат. наук // Ижевск, 1999.

76. Романенко В.А., Романенко А.В., Трапезников В.А. Система параллельнойрегистрации электронных спектров для импульсной электронной спектроскопии // Химическая физика и мезоскопия. 2000. - т.2. - №1. - с. 111-122.

77. Толмачев Ю.А. Новые оптические спектрометры. Принципы работы / Под ред. С. Э. Фриша. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. с.8-14

78. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения / Под. ред. П. Йесперса, Ф.Ван де Виле и М. Уайта. М.: Мир, 1979. 576 с.

79. Романенко В.А., Романенко А.В. Интернет и информационное обеспечение системы параллельной регистрации 100-см спектрометра УдГУ// Тезисы докладов на семинаре "Настоящее и будущее Интернет-сетей Удмуртии". Ижевск, 2000.

80. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1979. 260 с.

81. Васильев Г.А. Магниторазрядные насосы. М.: Энергия, 1970. 186 с.

82. Шерстнев Л.Г. Электроннолучевые приборы. М.: Энергия, 1966. 280 с.

83. Романенко В.А., Романенко А.В. Разработка экспериментальной системы параллельной регистрации электронных спектров // Вестн. Удм. ун-та. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 2000. № 4. - с.56-66.

84. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М.:Мир, 1975. 622 с.

85. Востров Г.А., Розанов А.Н. Вакуумметры. Л. Машиностроение, 1967-200с.

86. Розанов А.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982. 220 с.

87. Гугель Б.М. Люминофоры для электровакуумной промышленности. М.: Энергия, 1967.-290 с.

88. Трапезников В.А. Повышение прочности тонких поверхностных слоев твердых тел за счет кратковременного увеличения межатомных сил связи // Поверхность, 1994. №8-9. - с.136-143.

89. Демтредер В. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента. М.: Наука, 1985. с. 195-198, 480-515.

90. Список использованных сокращений.

91. ПЗС-видеокамера видеокамера с детектором на основе прибора с зарядовой связью.

92. ПШПВ полуширина на половине высоты спектральной линии.

93. РУ регистрирующее устройство.

94. РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

95. СПР ЭС, СПР система параллельной регистрации электронных спектров с временным разрешением.

96. СХГ спектрохронограмма - зависимость интенсивности зарегистрированного потока частиц (излучения) от энергии и времени.